DE2638057A1

DE2638057A1 - Elektronisch stabilisiertes speisegeraet fuer die lieferung von gleichstrom

Info

Publication number: DE2638057A1
Application number: DE19762638057
Authority: DE
Inventors: Roland Cachin; Kurt Witmer
Original assignee: DR K WITMER ELEKTRONIK AG
Current assignee: DR K WITMER ELEKTRONIK AG
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1977-03-17
Also published as: GB1558075A; FR2323265A1; US4072889A; CH601944A5; FR2323265B1

Description

Dr. K. Witmer Elektronik AG 8703 Erlenbach

Elektronisch stabilisiertes Speisegerät für die Lieferung von Gleichstrom

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisch stabilisiertes Speisegerät für die Lieferung von Gleichstrom.

Elektronisch stabilisierte Speisegeräte für den Laborbetrieb arbeiten heute meist mit automatischem Uebergang von Spannungs- auf Stromstabilisierung, d.h. ihre Aus-

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gangsspannung in Funktion des Ausgangsstromes beschreibt

eine rechteckige Kurve.

Ueblicherweise kann sowohl die Spannung als auch der Strom kontinuierlich von Null bis zu einem Maximalwert eingestellt werden.

Bei Geräten mit einer maximalen Ausgangsleistung von 50 bis 100 Watt wird aus Kostengründen meist keine Vorregelung angewendet, so dass im Kurzschlussfall die ganze Leistung im Gerät in Wärme umgesetzt wird.

Für diese Leistung sind somit die für die Stabilisierung normalerweise verwendeten Längstransistoren und deren Kühlkörper zu dimensionieren.

Ein Gerät für eine Ausgangsspannung von 0 bis 30 Volt und einem Ausgangsstrom von 0 bis 1 A ist für 30 Watt zu dimensionieren, gleich wie ein Gerät für 0 bis 15 V Ausgangsspannung und 0 bis 2 A Ausgangsstrom oder ein solches für 0 bis 7,5 V und 0 bis 4 A.

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Es gibt daher Geräte, die sich manuell auf zwei oder mehr Bereiche mit jeweils gleicher Maximalleistung umschalten lassen.

Neben der Umschaltung der unstabilisierten Spannung muss dabei auch die Begrenzung des Maximalstromes umgeschaltet werden.

Geräte, bei denen die Umschaltung der unstabilisierten Spannung automatisch erfolgt, sind bekannt.

Diese Geräte weisen jedoch den Nachteil auf, dass bei entsprechender Ausgangsspannung der Strombereich manuell umgeschaltet werden muss, um jeweils die maximale Ausgangsleistung zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel vorgesehen sind, um im U-I Diagramm die Ausgangskennlinie treppenförmig zu gestalten, derart, dass das Gerät in jedem Bereich die volle zulässige Leistung liefert und nicht überlastet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer Ausgangskennlinie des erfindungsgemässen Speisegerätes

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für die automatische Umschaltung einer kombinierten Spannungsund Strombegrenzung zur Erzeugung einer Ausgangskennlinie gemäss Fig. 1

Fig. 3 ein Funktionsblockdiagramm eines erfindungsgemässen Speisegerätes

Der Hauptstromkreis gemäss Fig. 2 besteht aus Transformator T, den Gleichrichtern G, G₁, G„, dem Kondensator C und dem Leistungstransistor T, .

Die Spannungsregelung erfolgt auf herkömmliche Weise, indem der Spannungsverstärker Vw der die über dem Spannungspotentiometer P, durch den von der Stromquelle J gelieferten hochkonstanten Referenzstrom I erzeugten Spannung mit der Ausgangsspannung +U vergleicht, über die Basis des Treibertransistors T_ den Leistungstransistor T, ansteuert. Da die Differenzspannung zwischen den Eingängen des Verstärkers V, gegen Null strebt, stellt sich eine Ausgangsspannung entsprechend dem

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Spannungsabfall über P₁ ein. Die Referenzstromquelle J_k wird mit einer gegenüber +Ü_Q fixen, positiven Hilfsspannung U, von z.B. 15 V gespiesen. Die Stromregelung erfolgt über den Verstärker V₂, der die über dem Messwiderstand R^ durch den Hauptstrom hervorgerufene Spannung mit der an dem Potentiometer P„ abgegriffenen Spannung vergleicht und über den Transistor T und den Treibertransistor T₃, den Längstransistor T ansteuert.

Die Umschaltung der über dem Kondensator C liegenden unstabilisierten Spannung U₁ erfolgt aufgrund des Vergleiches einer Referenzspannung und der Ausgangsspannung

Die unterschiedlichen Referenzspannungen U. und U_ werden mittels der Spannungsteile R-/R resp. R /R erzeugt und liegen jeweils an einem Eingang der Spannungskomparatoren V₃ resp. V₄.

Wird nun die Ausgangsspannung +U mittels des Potentiometers P, erhöht und erreicht diese beispielsweise den Wert der Referenzspannung U„, steuert der entsprechende Spannungskomparator V₃, über den Optokoppler OKI den Triac TRl so an, dass dieser leitend wird und somit die entsprechende

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Transformatorspannung der geschalteten Transformatorwicklung gleichgerichtet durch den Gleichrichter G, an den Kondensator C zu liegen kommt.

Wird die Ausgangsspannung U weiter erhöht und erreicht diese den Wert der Referenzspannung U., schaltet der Spannungskomparator über den Optokoppler OK2 und den Triac TR2 die nächste Transformatorspannung ein, die ihrerseits nun über den Gleichrichter G„ an den Kondensator C zu liegen kommt.

Bei Absenken der Ausgangsspannung U wird nun umgekehrt jeweils bei Unterschreiten der entsprechenden Referenzspannung die entsprechende Transformatorwicklung abgeschaltet.

Erreicht bei einer fest eingestellten Ausgangsspannung +U der Hauptstrom durch den Messwiderstand R einen solchen Wert, dass die dadurch entstehende Spannung den Wert der mittels dem Strombegrenzungspotentiometer P eingestellten Spannung erreicht, spricht der Verstärker V₂ an und steuert über den Transistor T₃ und den Treibertransistor T₃, den Längstransistor T so an, dass dieser weniger leitend wird und somit der Hauptstrom nicht mehr anwachsen kann.

Erreicht andererseits die Summe der Spannung über dem Messwiderstand R„ und dem Widerstand R₀ den Wert der Basis M · ο

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Emitterdioden Flussspannung des Transistors T., steuert dieser den Transistor T_ aus, so dass ein Teil des hochkonstanten Referenzstromes I über diesen abfliesst, so dass die Spannung über P, und somit die Ausgangsspannung +U kleiner wird.

Die Spannung über R₀ ist aber einerseits abhängig von der

Hilfsspannung U, und den Widerständen R_ und R₀ und anderer-

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seits von der Ausgangsspannung der Spannungskomparatoren

V_ und V., welche über die Widerstände R, und die Dioden D„ j 4 ο ζ

resp. R₅ und D.. an den Widerstand R₀ zu liegen kommt.

Es ist daraus ersichtlich, dass die Strombegrenzung einerseits vom Hauptstrom durch den Messwiderstand R^ und der Einstellung des Strombegrenzungspotentiometers P_, andererseits von dem Hauptstrom durch den Messwiderstand R^ und über die Spannungskomparatoren V und V., die Widerstände

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R_,Rg und Rg von der Ausgangsspannung +U abhängig ist, so dass durch geeignete Wahl der Spannungsteiler R-/R.,

J fr

und der Widerstände R^, R₅₇ R_g/ R_ und R_ß die gewünschte kombinierte Spannungs- und Strombegrenzung gemäss Figur 2 erreicht werden kann.

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In Fig. 3 ist ein Funktionsblockdiagramm des erfindungsgemassen Speisegerätes dargestellt, welches anschliessend unter Rückbezug auf das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel beschrieben werden soll.

In einem Lastkreis 1 ist ein Stellglied 3 angeordnet/ welches beispielsweise durch einen steuerbaren Widerstand, wie T. in Fig. 2, realisiert ist.

Das Stellglied 3 wird durch eine Selektionseinheit 5 angesteuert, welche ihrerseits von einer Strumsteuerung 7, einer Spannungssteuerung 9 und einer Grenzleistungssteuerung 11 angesteuert wird, und welche nach bestimmten Kriterien die Stellgliedsteuerung selektiv einer der drei erwähnten Einheiten 7,9, 11 zuordnet. Die Selektionseinheit 5 umfasst, in der Realisierungsmöglichkeit von Fig. 2, die Transistoren T- und T . Die Stromsteuerung 7 ist in Fig. 2 durch das Potentiometer P und den Messwiderstand R₁, sowie den Verstärker V_ realisiert.

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Die Spannungssteuerung 9 ist durch das Potentiometer P , die Stromquelle J, und den Verstärker V., die Grenzleistungssteuerung 11 durch die Widerstände R„, R und die Verstärker V₃, V. mit ihren Eingangs- und Ausgangsnetzwerken realisiert.

Dabei wirkt im Beispiel von Fig. 2 die Grenzleistungssteuerung 11 mit den oben beschriebenen Elementen über die Transistoren T ,

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T auf die Spannungssteuerung 9 und von dort direkt auf das

Stellglied. Die vier Verstärker V-, V_, V , V. sind nämlich als integrierte Schaltung erhältlich, so dass sich mit dieser Anordnung ein besonders kleiner Schaltungsaufwand ergibt.

Die Grenz leistungssteuerung 11 steuert nebst dem Stellglied 3 auch die Gleichspannungsspeisung 13 an, welche dementsprechend in Stufen variable Gleichspannungswerte abgibt.

Durch die Strumsteuerung 7, gemäss Fig. 2 mit P verstellbar, ist ein gewünschter Maximalstrom einstellbar, durch die Spannungssteuerung 9, mit P , die gewünschte Ausgangsspannung.

Bei herkömmlichen Geräten mit rechteckiger Ausgangskennlinie muss die Dimensionierung so vorgenommen werden, dass mindestens die Leistung, entsprechend dem Produkt aus maximal einstellbarem Strom und maximal einstellbarer Spannung, geräteintern abgeführt werden kann. In der erfindungsgemässen Schaltung wird nun durch die Grenzleistungssteuerung 11, automatisch, sowohl die Gleichspannungseinheit 13 umgeschaltet und der jeweils zulässige Maximalstrom oder die zulässigerweise einstellbare maximale Ausgangsspannung, gemäss Fig. 1 begrenzt, so dass die maximale Geräteleistung nicht überschritten werden kann.

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Diese Spannungsumschaltung resp. -Begrenzung und die Begrenzung des maximal zulässigen Stromes muss unbedingt in exakter gegenseitiger Abhängigkeit erfolgen,um eine üeberlastung des Gerätes unter allen Umständen zu vermeiden. Deshalb steuern, wie in Fig. 2 ersichtlich, die gleichen aktiven Elemente V , V. je entweder den verfüglichen Maximalstrom durch die Spannung am Widerstand R , oder die Umschaltung

der Gleichspannungsspeisung, über die zugehörigen Triacs an, bei jeweiliger Begrenzung der maximal einstellbaren Ausgangsspannung.

Bei der Begrenzung des verfügbaren Maximalstromes arbeiten V , V. dabei als lineare Verstärker, über die Dioden D₁ resp. D„, bei der Umschaltung der Gleichspannungsspeisung, als Schalter über die Optokoppler OKI und OK2 und die zugehörigen Dioden.

Es versteht sich von selbst, dass durch Erhöhung der Verstärkeranzahl mit Funktionen wie die Verstärker V , V., wie auch der Umschaltstufen-Zahl der Gleichspannungsspeisung, die Stufenzahl gemäss Fig. 1 nach vorliegender Notwendigkeit erhöht werden kann.

Durch die Umschaltung der Gleichspannungsspeisung wird der Wirkungsgrad des Speisegerätes erheblich verbessert, wobei

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jedoch diese Umschaltung nur bei automatischer Strombegrenzung möglich ist. Es ist im weiteren möglich, das Speisegerät ferngesteuert zu bedienen, indem die beiden Potentiometer P., P. abseits des Speisegerätes angeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche

j 1. j Elektronisch stabilisiertes Speisegerät für die Lieferung von Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um im U-I Diagramm die. Ausgangskennlinie treppenförmig zu gestalten, derart, dass das Gerät in jedem Bereich die volle zulässige Leistung liefert und nicht überlastet werden kann.
2. Speisegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur automatischen Umschaltung der unstabilisierten Spannung und der Strombegrenzung ausgebildet sind.
3. Speisegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur automatischen Umschaltung aufgrund der Ausgangs spannungs- und/oder Ausgangsstromwerte ausgebildet sind.
4. Speisegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur automatischen Umschaltung einer kombinierten Ausgangsstrom-Ausgangsspannungsbegrenzung ausgebildet sind.
5. Speisegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der kombinierten Spannungs- und Strombegrenzung durch die Aenderung einer Referenz- oder Bezugsspannung in Abhängigkeit vom Hauptstrom und von der Ausgangsspannung erfolgt.

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6. Speisegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel Spannungskomparatoren umfassen.
7. Speisegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spannungskomparatoren Optokoppler ansteuern.

8. Speisegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Optokoppler ihrerseits Triacs oder Relais ansteuern, die verschiedene Abgriffe, resp. Spannungen der Sekundärwicklung eines Trofos ein- resp. ausschalten und somit über Gleichrichter die Umschaltung der unstabilisierten Spannung vornehmen,

9. Speisegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die. Mittel eine Stromsteuerschaltung (P₂, E^, V_), eine Spannungssteuerschaltung (P.,. J, _f V„) , eine Grenz leistungssteuerschaltung (Rg, R₅₅/ V₃, V.) sowie mindestens ein Seriestellglied (T,) im Laststromkreis und eine Selektionseinheit

(T₃, T.) umfassen, wobei_die Selektionseinheit die Ansteuerung des -Seriestellgli.edes selektiv der Spannungs-,
der Stromsteuerschaltung und der Grenzleistungssteuerschaltung zuordnet.

10. Speisegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerschaltung (7). mindestens einen Spannungskomparator (V₃) umfasst, und dass dessen. Eingänge mit Widerstandsmitteln (P₂' ^RM^ ^zur Erzeugung einer einstellbaren Fixspannung und zur Erzeugung, einer laststromabhängigen Spannung

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verbunden sind.

11. Speisegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungssteuerschaltung (9) mindestens einen Spannungskomparator (V₁) umfasst, dessen Eingänge mit Mitteln (P₁) zur Erzeugung einer verstellbaren Referenzspannung, und Mitteln zur Erzeugung einer von der Ausgangsspannung abhängigen Spannung verbunden sind, wobei der Spannungskomparator V, die von der Ausgangsspannung abhängige Spannung auf den Referenzspannungswert regelt.

12. Speisegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Gleichspannungsspeisung (T, TRl, TR2, G, G,, G₂) vorgesehen ist, und dass die GrenzleistungsSteuerschaltung (11) zu deren Ansteuerung ausgebildet ist.

13. Speisegerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

dass die Grenzleistungssteuerschaltung (11) ein oder

mehrere · - '■'■·■

o Verstärkermittel (V_, V.) umfasst,, je zum Vergleich eines von der Ausgangsspannung abhängigen Spannungswertes mit einer Referenzspannung (über R., R₂) und dass die Verstärkermittel entweder auf Strombegrenzungssteuermittel (R₀) oder

Steuermittel (OKI, OK2) für die Gleichspannungsspeisung (13) wirken.

14. Speisegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel (V_, V.) je auf ein Spannungsfestwert

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sensitives Netzwerk (D₃, D-, D) wirken, welches bei Spannungen, die grosser oder kleiner als der Festwert sind, den entsprechenden Verstärkerausgang mit den Strombegrenzungssteuermitteln (R_Q) verbinden, und die bei Spannungen

kleiner oder grosser als der Festwert, den entsprechenden Verstärkerausgang mit Steuermitteln (OKI, OK2, TRl, TR2) für die Gleichspannungsspeisung (13) verbinden.

15. Speisegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel (V_, V.) bei ihrer Wirkung auf die Strombegrenzungsmittel (R₀) als lineare Verstärker, bei

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ihrer Wirkung auf die Steuermittel (OKI, 0K2) für die Gleichspannungsspeisung (13) als Schalter wirken.

16. Speisegerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungssteuermittel (Rg) wenigstens teilweise in einem Rückkopplungszweig der Verstärker liegen, und dass eine Rückkopplung beim Wirken auf die Steuermittel für die Gleichspannungsspeisung (13) aufgehoben ist.

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